Optische Wirkungen der Lupe

Optische Wirkungen der Lupe

Ein Philatelist will an einer Briefmarke ein Detail erkennen. Er bringt die Marke so nahe ans Auge, wie er es gerade noch mit äußerster Anspannung des Scharfsehens (Akkommodation) vermag. Das ihn interessierende Detail erscheint ihm dann nämlich größer. Dennoch sieht er das Detail nicht genügend deutlich. Er versucht, die Marke noch näher zu bringen. Das hilft ihm aber nicht, denn nun sieht er zwar noch größer, aber schlechter, nämlich unscharf, weil er das Auge nicht mehr stärker auf Nahsehen anspannen (akkommodieren) kann.

Das Akkommodieren ist eine Funktion der Augen, damit auf dem Hintergrund im Innern des Augapfels, wo sich die bildregistrierende Netzhaut befindet, optische Bilder von verschieden weit entfernren Objekten nacheinander scharf antworten werden können, wie ja auch Photoobjektive auf die jeweilige Entfernung eingestellt werden müssen (allerdings durch Linsenverschiebung und nicht durch elastische Anspannung [Verdickung] einer inneren Linse). Die Akkommodation endet im Nahpunkt.

Je kürzer der Nahpunkt vor dem Beobachterauge liegt, um so günstiger ist es für die Erkennbarkeit kleiner Objekte durch Näherheranbringen. Bei kurzsichtigen Menschen und bei Kindern liegt er besonders kurz vor dem Auge, bei übersichtigen Menschen liegt er wesentlich weiter ab. Mit zunehmendem Alter lässt das Akkommodationsvermögen des Auges nach, und der Nahpunkt rückt immer weiter vom Auge ab, weshalb zunächst "die Armlänge nicht ausreicht" und dann eine Lesebrille notwendig wird. Die Methode des Näherbringens hat eine Grenze bei Erreichen des Nahpunkts, der somit auch eine Grenze für das Erkennen von Feinheiten dargestellt.

Außerdem ist der Erkennbarkeit noch eine Grenze gesetzt durch die rasterartige Struktur der lichtempfindlichen Netzhaut auf dem Augenhintergrund. Die Verhältnisse entsprechen ganz der drucktechnischen Bildwiedergabe mittels Rastern. Objektdetails, die aus Nahpunktsweite unter kleineren Sehwinkeln als l' erscheinen, werden vom unbewaffneten Auge nicht mehr aufgelöst. Um solche kleinen Objekte in den Bereich der Auflösbarkeit zu bringen, bedient man sich der optischen Vergrößerung mittels Lupe oder Mikroskop; dann werden sie für das Auge erkennbar. Als Vergrößerung bezeichnet man den Faktor, um den der Sehwinkel (aus Nahpunktsweite ohne Lupenbenutzung) vervielfacht wird, wenn man die Lupe benutzt.

Um nun die Vergrößerung einer Lupe zahlenmäßig auszudrücken, sind gewisse Normbedingungen international festgelegt worden, und zwar als Nahpunktsweite 250 mm und als Normalauge das eines rechtsichtigen Beobachters, wobei dieser allerdings ohne Akkommodarion durch die Lupe sehen soll. Warum hat man die Normbedingungen so und nicht anders gewählt? Rechtsichtigkeit ist am häufigsten, da sie die natürlichste ist. Akkommodationsloses Beobachten ermüdet nicht, deshalb ist auch angenommen, daß beim Beobachten durch die Lupe nicht akkommodiert werden soll, was übrigens für jegliches Beobachten durch optische Instrumente zweckmäßig ist. Die Sehweite ohne Lupe ist mit 250 mm normiert, weil sie etwa der Leseentfernung entspricht und weil der normalsichtige Mensch durchschnittlich bis zu 45 Jahren noch bis zu dieser Sehweite ohne Lesebrille akkommodieren kann.

Als Lupenvergrößerung ergibt sich unter diesen Normbedingungen ein Sehwinkelverhältnis "mit Lupe" zu "ohne Lupe", das gleich dem Verhältnis von 250 mm zur Brennweite der Lupe ist. Eine Lupe mit 50 mm Brennweite vergrößert demnach 5 x, eine Lupe mit 25 mm Brennweite 10 x.

Die so definierte Vergrößerungszahl ist auf den Lupenfassungen aufgraviert. Es ist trotzdem nicht gesagt, daß die Lupe für jeden Benutzer denselben Nutzgrad hat. Für hochgradig kurzsichtige Beobachter, die beim Akkommodieren wesentlich kürzere Nahpunktsentfernungen als 250 mm erreichen, hat die Lupe einen entsprechend geringeren Vergrößerungsnutzgrad. Dasselbe gilt vom jugendlichen Beobachter. Umgekehrt ist es beim übersichtigen und beim alterssichtigen Beobachter, deren Nahpunkte weiter entfernt als 250 mm liegen. Eins ist aber sicher: wenn fehlsichtige Beobachter beim Sehen durch die Lupe die Fernbrille aufbehalten und nicht akkommodieren, so sehen sie durch die Lupe wie der normalsichtige Beobachter. Es ist oft ratsam, die Brille nicht abzusetzen, zumal für Beobachter mit Augenastigmatismus.

Die oben angegebene Vergrößerungsformel ist also nur relativ zu bewerten, außerdem gilt sie nur für Lupen mit nicht zu geringer Vergrößerung, bei denen die Brennweite wesentlich kürzer als 250 mm ist. Nun gibt es aber auch Vergrößerungsgläser mit langer Brennweite, sogenannte Lesegläser, die aber vulgär auch oft Lupen genannt werden. Bei diesen ist die Vergrößerungswirkung in jedem Fall äußerst gering und stimmt gar nicht nach der Lupenformel. Auf eine solche "Lupe" wird nach her noch einzugehen sein.

Je stärker eine Lupe vergrößert, um so kürzer ist ihre Brennweite, um so krummer sind die polierten Flächen, und um so kleiner ist der Durchmesser der Linsen. Die Augenpupille des

Beobachters hat nun eine gewisse Größe, z. B. 5 mm Durchmesser. Ersichtlich wird also die kurzbrennweitige starke Lupe vom Auge relativ zum Linsendurchmesser mehr beansprucht als die langbrennweitige schwache Lupe. Daher fallen bei den kurzbrennweitigen, stärker vergrößernden Lupen sogenannte Abbildungsfehler mehr ins Gewicht und müssen auskorrigiert werden. Es sind dies in erster Linie Farbfehler und die Fehler bei schiefem Durchsehen (Koma und Astigmatismus). Um solche Abbildungsfehler unwirksam zu machen, werden die Lupen optisch korrigiert, d. h. z. B. aus Kronglas und Flintglas mehrlinsig verkittet und zweckmäßig durchgebogen. Das geschieht nach rechnerischen Anweisungen der mathematischen Abteilungen, wie sie in größeren Fertigungsbetrieben der optischen Industrie beschäftigt werden. Solche korrigierten Lupen sind z. B. aplanatischen Einschlaglupen. Wegen ihrer verbesserten Korrektion gestatten sie ein größeres Gesichtsfeld auszunutzen. Und dennoch hat auch für sie das Gesichtsfeld eine obere Grenze. Als Faustregel gilt etwa, dass das Produkt aus Vergrößerung und Gesichtsfeld bei rund 130 liegt. Eine aplanatische Lupe lOx hat also das Gesichtsfeld l3 mm. Hiermit erledigt sich zugleich ein Verlangen, das immer und immer wieder gestellt wird: z. B. eine Lupe mit einem Gesichtsfeld von mindestens 50 mm bei Vergrößerungen von mindestens 10 x zu konstruieren. Das ist technisch unmöglich. Durch sehr komplizierte Linsenanordnungen gelingt es allenfalls, bei Vergrößerungen um 10 x ein Gesichtsfeld bis 30 mm zu erzielen, doch wird dann die Lupe nicht nur teuer, sondern auch schwer; zudem wird sie sehr empfindlich gegen schiefes Durchsehen. Daher entsprechen dem praktischen Gebrauch am besten die aplanatischen Lupen. Die größte Gesichtsfeldausnutzung ergibt sich, wenn man die Lupe dicht ans Auge hält, da der Fassungsrand den Bildausschnitt bestimmt.

Die optische Korrektion ist deshalb auch für diese Art der Benutzung durch geführt, so daß die direkt ans Auge gehaltene Lupe neben größtem Gesichtsfeld auch beste Bildqualität gewährleistet. Bei weiter abgehaltenen Lupen treten leicht Verzeichnungsfehler auf.

Gelegentlich wird gefragt, welches die stärksten Lupenvergrößerungen sind. Man kann die Vergrößerung über 16 x steigern, doch wird dann die Lupenbenutzung schon recht unbequem. Die Objekte müssen wegen der sehr kurzen Brennweite ganz nahe an die Lupe herangeführt werden, so daß ihre Beleuchtung schwierig wird. Außerdem ist die Schärfentiefe alsdann gering, und man muß die Lupe sehr ruhig halten. Schließlich wird auch das Gesichtsfeld nur noch wenige Millimeter groß. Praktisch liegt die obere nutzbare Grenze bei 10 x, allenfalls 16x. Jenseits von 10 x kehrt auch bereits die Perspektive um, was dazu führt, daß entgegen der Gewohnheit weiter entfernt liegende Objektstellen größer erscheinen als näherliegende Objektstellen. Das ist bei zu starken Lupen optisches Gesetz, gegen das es keine Abhilfe gibt, weil die mehr als 10 x vergrößernde Lupe den als Perspektivitätszentrum wirksamen Augenort durch die Lupe rückwärts in größerer Entfernung hinter der Lupe abbildet als das Betrachtungsobjekt liegt.

Letzteres ist ein wesentlicher Grund dafür, daß man für stärkere Vergrößerungen ein aus Objektiv und Okular zusammengesetztes .Mikroskop nehmen soll, bei dem die Strahlen so geführt werden können, daß die Perspektive nicht verfälscht wird.

Übrigens kann man mit einer nicht zu starken Lupe auch die Perspektive verbessern. Abb. 6 zeigt eine unnatürlich wirkende Kleinbildaufnahme. Mit einer Lupe betrachtet, werden die perspektivischen Größenverhältnisse wieder natürlich.

Oben wurde schon von den schwach vergrößernden Lupen oder Lesegläsern gesprochen. Solche Lupen werden entfernt vom Auge gehalten, was durchaus möglich ist, da sie wegen ihres großen Durchmessers und ihrer geringen Vergrößerung ausreichende Gesichtsfelder bieten. Sie sind z. B. von Nutzen beim Betrachten von Landkarten, wo schon die geringe Vergrößerung (1,7x) befriedigt.

Besonders angenehm ist binokulares Beobachten. Es ist nachgewiesen worden, daß bisweilen bei beruflich ausgeübter, täglich mehrstündiger einäugiger Mikroskopie beispielsweise, wobei

meist das gleiche Auge bemüht wird, eine merkliche Sehleistungsminderung dieses Auges eintritt. Deshalb werden die modernen optischen Geräte mit binokularem Einblick ausgestattet. Das gilt natürlich auch von den Lupen. Die bekannten binokularen Kopflupen enthalten zwei prismatische Linsen nebeneinander, die nicht nur vergrößernd wirken, sondern auch die Konvergenz der Augenachsen regulieren. Sie können aber auch nur von geringer Vergrößerung sein, da sie als Kopflupen wegen des Gewichts nur als Einzellinsen ausführbar sind und daher bei stärkerer Vergrößerung störende Farbfehler aufweisen würden. Die Basis zwischen den "optischen" Mitten der Lupenlinsen ist kleiner als die Basis zwischen beiden Augen; sie muß um so kleiner sein, je stärker die Vergrößerung ist, damit bei kleineren Objektabständen die Schiefe der Blickrichtungen nicht unnatürlich übertrieben wird. Im allgemeinen erfordern binokulare Kopflupen eine gewisse Akkommodation der Augen, denn mit dieser ist bereits eine entsprechende Konvergenz der Augenachsen gekoppelt, so daß die notwendigen farbfehlereinführenden prismatischen Zusatz-Wirkungen der Linsen in erträglichen Grenzen gehalten werden können. Binokulare Kopflupen erfordern daher vom Benutzer noch ein gewisses Akkommodationsvermögen. Dann aber steigert sich auch die Vergrößerung, lediglich als Folge der Akkommodation, wenn auch nur von etwa 1,5 auf 2,5 mal. Da die stereoskopische Wirkung proportional mit der Vergrößerung wächst, ergibt sich zugleich eine verbesserte Plastik. Das Eingreifen der Augenakkommodation löst

also bei binokularen Lupen geradezu eine Kettenreaktion von Vorteilen aus, so daß es durchaus sinnvoll ist, binokulare Kopflupen mir verhältnismäßig langbrennweitigen einfachen Linsen auszustatten.